水下非分散聚合物多应变率下力学特性与破坏模式的声发射定量分析

针对高速铁路整体道床脱空修复材料在水下动态荷载下的性能需求，研究人员通过多应变率压缩试验结合声发射(AE)技术及高斯混合模型(GMM)算法，系统研究了水下非分散聚合物(UNDP)的应变率敏感性。发现其抗压强度随应变率降低提升24.6%，建立了能量耗散分段本构模型，通过RA-AF参数实现裂纹类型智能判别，为轨道交通水下修复工程提供了材料设计与性能评估的理论依据。

　　

随着沿海地区地铁隧道整体道床脱层病害日益突出，传统灌浆材料如水泥基浆料、环氧树脂等在水环境中的适应性不足，难以满足富水条件下快速修复需求。水下非分散聚合物(UNDP)凭借其水下不分散性、低粘度和高早期强度等特性成为理想修复材料，但其在列车动态荷载下的应变率敏感性尚未明确。中国铁道科学研究院等机构研究人员在《Materials Today Communications》发表研究，通过创新性实验设计揭示了UNDP的应变率依赖规律。

研究采用多应变率(1.67×10^-4至3.33×10^-3 s^-1)单轴压缩试验，结合声发射(AE)实时监测技术，利用高斯混合模型(GMM)优化裂纹分类算法。通过能量耗散特征点建立分段本构模型，并基于轮廓系数(SC)和贝叶斯信息准则(BIC)优化RA-AF参数聚类分析。

【材料特性】UNDP由异氰酸酯预聚物(A组分)与水玻璃溶液(B组分)复合而成，通过原位催化形成有机-无机杂化结构，其特殊组分设计赋予材料水下固化能力。

【力学行为】应力-应变曲线呈现压实、塑性损伤和破坏三阶段特征。应变率从3.33×10^-3降至1.67×10^-4 s^-1时，抗压强度提升24.6%(24.8→30.9 MPa)，弹性模量增加19.8%。低应变率下材料有更充分时间进行内部结构调整，表现为更显著的塑性平台。

【AE信号特征】I_b值分析显示高应变率促进压实阶段微裂纹萌生，加速全过程裂纹扩展。累计振铃计数曲线显示，3.33×10^-3 s^-1组试件在60%峰值应力时即出现显著AE活动，表明早期损伤累积。

【裂纹演化机制】经SC-BIC优化的GMM算法显示：中等应变率组(1.67×10^-4和3.33×10^-3 s^-1)拉伸/剪切裂纹比例均衡(各约50%)，其余组别拉伸裂纹占比超75%，揭示应变率通过改变裂纹类型分布影响破坏模式。

该研究首次建立了UNDP应变率-强度-破坏模式的定量关系，提出的能量耗散分段本构模型可精准预测不同列车速度下的材料响应。通过AE参数与机器学习算法的创新结合，实现了裂纹演化的原位智能诊断，为轨道交通水下修复工程的材料选型与寿命评估提供了重要技术支撑。研究结果对发展适应300-350 km/h高速列车荷载的新型修复材料具有指导意义，相关方法学框架可推广至其他粘弹性复合材料的研究领域。